Дифракція випромінювання електричного диполя на екранах складної форми

У розділі 4 “Дифракція випромінювання дротової антени на ідеально провідних екранах, що містять клиноподібні поверхні кінцевих розмірів”, використовуючи методику, описану в розділі 2, отримано асимптотичні розв'язки тривимірних векторних задач дифракції полів трьох ортогональних напівхвильових вібраторів на П- і Г-подібних ідеально провідних екранах кінцевих розмірів (рис. 1б, в). На їх основі розраховано ДС повного й дифрагованих полів у всьому просторі хвильової зони, а також опір випромінювання й КСД в залежності від розмірів граней екранів W, L, H. На рис. 10 наведено амплітудні ДС основної компоненти поля напівхвильового вібратора 1 у головних площинах спостереження при різних значеннях висоти виступу екрана H/. Розміри грані екрана L і W/L вибрано за умови забезпечення мінімуму V_мін при H=. В меридіональній площині спостереження (рис. 10а) кут відраховується від нуля до 90 в освітленому напівпросторі перед екраном і від нуля до -90 - в тіньовому. Із порівняння ДС вібратора 1 з П- подібним і прямокутним екранами (рис. 10б) видно, що в першому випадку ширина головної пелюстки по рівню -3 дБ зменшилась в H-площині при будь-яких значеннях H/. Рівень випромінювання назад від екрана значно менше при H=, що обумовлено вибором оптимальних розмірів грані Lопт і (W/L)опт. З порівняння ДС вібраторів 1 і 2 з П-подібним екраном при оптимальних розмірах грані і з квадратною гранню випливає, що вибором відношення (W/L)опт можна одержати в обох випадках збудження екрана більш монотонні ДС у площині спостереження =90 .

Рис. 1 ДС вібратора 1 з П-подібним екраном при L_опт = 1,6 і (W/L)_опт = 1,7 в залежності від H/ = 1; 0,7; 0,5; 0,3; 0 (криві 1 - 5 відповідно) у головних площинах спостереження при h = 0,25

Проведено оцінку впливу розміру L/ і відношення сторін граней W/L П-подібного екрана з фіксованою висотою бічного виступу H/ на КСД вібратора у напрямку нормалі до розкриву екрана D, опір випромінювання й відношення амплітуд поля в напрямках «назад»-«вперед» до екрана V . З чисельного аналізу при H= і h = 0,25 (рис. 11) випливає, що значення D₁ вібратора 1 змінюються від 3,8 до 18,2 і залежать практично тільки від L/, з максимумом D_макс=18,3 при L_опт=1,7 і (W/L)_опт=1,8 (для прямокутного екрана D_макс=7,3 при L=1,2 і W/L=11,1). Опір випромінювання R₁ змінюється від 29 Ом при L=0,5 і W/L=2,5 до 116 Ом при L=0,9 і W=. Найбільший інтервал зміни V₁ має місце при L=1,6: від -23 дБ при W/L=1 до -68 дБ при W/L = 1,7. Таким чином, при L=1,7 і W/L=1,8 має місце одночасно як максимум КСД, так і мінімум V₁ при R₁=80 Ом. При виступі H=0,5 КСД зменшується, змінюються V, L_опт і (W/L)_опт.

На основі асимптотичного розв'язку тривимірної векторної задачі дифракції випромінювання вібратора, розташованого на відстанях b і h від граней Г-подібного ідеально провідного екрана із шириною граней L, H і висотою W (рис. 1в), проаналізовано просторовий розподіл поля та енергетичні й спрямовані характеристики таких ВС від розмірів екрана й положення вібратора. Для порівняння розглянуто особливості просторового розподілу поля диполів 1, 2 і 3 при зміні відстаней b і h від граней екрана з нескінченними розмірами. У цьому випадку всі зміни амплітуди повного поля пов'язані зі зміною різниці фаз тільки падаючої й відбитих хвиль, що поширюються в одному напрямку від чотирьох ГО випромінювачів, які рознесено на різні відстані в залежності від положення диполя. Внаслідок цього утворюються максимуми й мінімуми поля при b, h, що забезпечують відповідно синфазність або протифазність всіх ГО випромінювачів. З чисельного аналізу визначено, що у випадку диполя 1, паралельного ребру Г-подібного екрана, квадрат модуля поля в напрямку нормалі до розкриву екрана являє собою осцилюючу функцію з максимумами при й b=0,35 і , а також при h=0,35 і ( =0, 1, 2…). У випадку диполів 2 і 3 максимуми випромінювання мають місце в напрямку, перпендикулярному до осі диполя, при й відповідно.

При положенні вібратора 1 у бісекторній площині (b=h) Г-подібного екрана з розмірами граней L=H=1,8 і W=1,3 його опір випромінювання R₁ являє собою осцилюючу функцію відстані вібратора до внутрішнього ребра екрана, значення R₁ змінюються за рахунок дифрагованого поля в межах 11154 Ом. Максимум R має місце при b=h=0,35, де R₁ перевищує на 23% R₁ у випадку нескінченного екрана. Для вібратора 3 максимум випромінювання має місце при й h > 0,75. Тут R₃ перевищує на 44% розрахункове значення R₃ у випадку нескінченного екрана.

В антенній практиці для забезпечення спрямованого випромінювання широко використовується V-подібний екран з кутом розчину , який опромінюється вібратором, розташованим у його бісекторній площині на відстані S від внутрішнього ребра (рис. 1г). На основі отриманого розв'язку задачі дифракції на такому екрані розроблено алгоритм та проведено чисельний аналіз КСД і опору випромінювання R подібних ВС. На рис. 12 представлено лінії рівних значень КСД вертикального напівхвильового вібратора 1, паралельного внутрішньому ребру екрана з кутом розчину =90, у напрямку нормалі до розкриву екрану й ізолінії опору випромінювання R₁ у системі координат W/L

Для подібної ВС максимум КСД дорівнює D₁ = 21,7 (D₁ = 17) при L_опт = 1,9 і (W/L)_опт = 0,7. Значення R₁ (R₁ = 32 Ом) в залежності від розмірів екрана за рахунок дифрагованих полів змінюються від 25 до 80 Ом.

На рис. 13 наведено залежності відносних максимальних значень КСД D_1макс/D₀ (D₀ = 1,64) вертикального вібратора 1 і горизонтального вібратора 2 з V-подібним екраном з кутом розчину =90 і =45 від відстані S/, які отримано з розрахункових даних при оптимальних розмірах екрана (криві 1 і 2 відповідно для вібраторів 1 і 2) і при його нескінченних розмірах (криві 3 і 4 для вібраторів 1 і 2). Як видно з рис. 13а, для вібратора 1 з 90-градусним екраном помітний вплив дифракційних полів на значення D_1макс спостерігається при зміні S від 0,1 до 0,75, а також при S = , 1,4, 2. Значення D_1макс при S = 0,1 0,3 змінюються від 12,8 до 21,3 (D₁= 17,2 18,2), при S=0,5 маємо D_1макс=20,2 (D₁=15), при S=0,75 D_1макс=16 (D₁ = 9,2). Значення КСД при S=1,4 становлять D_1макс = 46, а D₁ = 32,5.

Рис. 2 Залежності відносних максимальних значень КСД вібраторів 1 і 2 з V-подібним екраном з кутом розчину =90 (а) і =45 (б) від S/

Таким чином, розрахунок і аналіз значень КСД і R вібратора з V-подібним екраном показав їх суттєву відмінність при певних розмірах екрана й відстанях між вібратором і його внутрішнім ребром S/ від значень D₁ і R у випадку нескінченних граней екрана. Так, при =90 і оптимальних розмірах екрана значення D_1макс перевищують D₁ на 23% при S = 0,3 (L_опт = 1,8 і W_опт = 1,3), на 71% при S=0,75 (L_опт=2,4 і W_опт=1,6), на 43% при S=1,4 (L_опт=4,4 і W_опт =2,4). Оптимальні розміри екрана з вертикальним вібратором становлять L_опт = 1,8 2,4, W_опт=1,3 1,5 при відстані S у межах 0,8; при горизонтальному вібраторі розміри екрана L_опт= 1,1 і W_опт=0,5 незмінні до S у межах 0,4.

Із рис. 13а видно, що при S/, кратних довжині хвилі, за рахунок дифрагованого поля D_1макс не дорівнює нулю, як у випадку нескінченного 90-градусного екрана.

З теоретичного аналізу структури повного поля у напрямках «вперед» і «назад» до розкриву V-подібного екрана визначено, що крайові хвилі з бічних ребер екрана дають внесок у повне поле ВС при будь-якій геометрії задачі, а поле з поперечних ребер E_поп дає внесок в повне поле у напрямку «вперед» до розкриву і тільки при тих розмірах екрана й положенні вібратора, які задовольняють умовам

W < W_гр, S < S_гр,

, . (11)

Амплітуда E_поп збільшується зі зменшенням W/ і з наближенням вібратора до розкриву екрана. З урахуванням цього, на відміну від випадку вібратора із прямокутним екраном, залежність відношення амплітуд поля V у напрямках нормалей «назад»-«вперед» до екрана від відношення сторін граней W/L досить слабка й проявляється тільки при W/L<1.

З порівняння розрахункових значень V_1мін для вібратора 1 з П-подібним екраном при H= і прямокутним екраном випливає, що в обох випадках досягається значення V_1мін= -68 дБ практично при однакових розмірах екранів (L=1,5 і (W/L)_опт =1,65 - плоский екран, L/ = 1,6 і (W/L)_опт = 1,7 - П-подібний екран), але при цьому КСД диполя з П-подібним екраном у три рази більше, ніж із плоским. Максимальні значення D₁ вібратора 1 з П-подібним екраном (рис. 11) порівнянні зі значеннями D₁ у випадку V-подібного екрана з =90 (рис. 12а), але в останньому випадку V₁ слабко залежить від відношення сторін екрана й тому немає резонансних зменшень V_1мін.. Крім того, при h=0,25 опір випромінювання R напівхвильового вібратора з V-подібним екраном з =90 при максимальних КСД не перевищує 30 Ом, а для вібратора з П-подібним екраном R =80 Ом.

У розділі 5 “Вхідний імпеданс довільно орієнтованої дротової антени із плоским і кутковим екраном” визначено вхідний опір довільно орієнтованого вібратора з V-подібним і плоским прямокутним екраном на основі отриманих розв'язків задач дифракції й методу наведених електрорушійних сил. Розраховано й проаналізовано активну R і реактивну X частини вхідного опору вібратора з довжиною, близькою до половини довжини хвилі, з прямокутним екраном в залежності від його розмірів, відносної товщини l/а (l і а - довжина плеча й радіус вібратора) і відстані вібратора до екрана h/.

З чисельного аналізу значень X визначено відносну резонансну довжину плеча l₀/ вібратора з прямокутним екраном, при якій досягається реактанс X=0 і забезпечується узгодження вібратора з лінією передачі. Результати проведеного аналізу l₀/ в залежності від відносної товщини l/а і відстані вібратора до екрана h/ при різних розмірах екрана й орієнтації вібратора відносно нього наведено на рис. 14. З рис. 14а видно, що в порівнянні з резонансною довжиною у вільному просторі (крива 1) у присутності екрана резонансна довжина вібратора зменшується, причому більше у випадку орієнтації осі вібратора паралельно екрану (криві 2, 4, 5), й менше - перпендикулярно йому (криві 3, 6, 7). Це обумовлено більшим значенням наведеного імпедансу на вібраторі за рахунок дифрагованих полів у першому випадку. Резонансна довжина плеча l₀ вібратора 1 з екраном нескінченних розмірів при h=0,25 змінюється від 0,211 до 0,235, а вібратора 3 - від 0,223 до 0,239 при зміні l/а від 10 до 700. Дифракційні ефекти приводять до ще більшого вкорочення l₀/ при екрані з малими розмірами W=L=0,5, а при екрані з W=L= резонансна довжина наближається до l₀/ вібратора з нескінченним екраном. Чисельно встановлено й експериментально підтверджено, що для вібратора, паралельного більшим сторонам екрана з розмірами 0,47Ч0,63, при відстані вібратора до екрана h=0,25 і відносній товщині вібратора l/а=13 зсув його резонансної частоти склав 11%. При цьому відмінність розрахованої резонансної частоти експериментального вібратора й обмірюваної по мінімуму КСХН частоти склала 1,2. На рис. 14б показано залежності відносної резонансної довжини плеча вібратора 1 з нескінченним екраном від h/ при різній відносній товщині вібратора l/а.

У Висновках наведено основні результати дисертаційної роботи.

У Додатку А наведено методику визначення зв'язку компонент вектора напруженості електричного поля в загальній і власних ССК на ребрах екрана.

У Додатку Б наведено результати розрахунків і аналізу амплітудних ДС, фазових і поляризаційних характеристик поля крайової хвилі, збудженої електричним диполем різної орієнтації на краю ідеально провідної напівплощини.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на основі застосування рівномірних асимптотик дифрагованих полів, одержаних зі строгого розв'язку модельної задачі дифракції поля довільно орієнтованого диполя Герца на ідеально провідній напівплощині, а також принципів Ферма, локальності й суперпозиції електромагнітних полів побудовано асимптотичну теорію дифракції полів диполя Герца й напівхвильового вібратора на ідеально провідних нескінченно тонких екранах кінцевих розмірів. Одержані теоретичні результати використано для аналізу конкретних ВС - їх амплітудних, фазових й поляризаційних ДС в усьому просторі хвильової зони, а також КСД, опору випромінювання, вхідного опору й резонансної довжини вібратора - як функцій геометричних параметрів і електричних розмірів ВС.

Одержано наступні наукові результати.

1. Побудована асимптотична теорія дифракції полів довільно орієнтованих диполя Герца й напівхвильового вібратора на ідеально провідних нескінченно тонких екранах кінцевих розмірів, що містять фрагменти клиноподібних поверхонь, при довільно близькій відстані антени від екранів. Розвинена теорія дозволяє визначати спрямовані, енергетичні і поляризаційні характеристики електромагнітних полів подібних ВС у всьому просторі хвильової зони як функції їх геометричних параметрів і електричних розмірів.

2. Для типових плоских прямокутних, П- і Г - подібних екранів кінцевих розмірів уперше отримано розв'язки тривимірних векторних задач дифракції. Ці розв'язки дозволили чисельно дослідити особливості просторових ДС поля - зміну напрямку головного максимуму, форми головної пелюстки й рівня бічних пелюсток в залежності від розмірів і форми екрана. Уперше проведено детальний аналіз впливу дифрагованих полів при використанні зазначених екранів на КСД, опір випромінювання, вхідний опір та резонансну довжину напівхвильового вібратора. З аналізу випливає, що:

- Значення опору випромінювання і КСД диполя Герца й вібратора в напрямку нормалі до екрана в залежності від його розміру L/ осцилюють із загасаючою амплітудою відносно значень для тих самих випромінювачів з нескінченним екраном, що обумовлено інтерференцією дифрагованих полів і зміною різниці фаз між ними при зміні L/.

- Максимальні значення КСД випромінювача з екраном кінцевих розмірів перевищують теоретичні значення КСД випромінювача з нескінченним екраном на 30...50%. Максимальні значення опору випромінювання перевищують їх теоретичні значення у випадку нескінченного екрана при орієнтації осі диполя паралельно екрану на 15%, перпендикулярно екрану - на 26% .

3. Уперше чисельно встановлено й експериментально підтверджено, що відношення довжин ортогональних ребер W/L прямокутного екрана визначним чином впливає на просторовий розподіл поля дротового вібратора, що дозволяє ефективно перерозподіляти енергію поля в оточуючому просторі шляхом вибору відповідного відношення довжин ортогональних ребер екрана.

- Зокрема, визначено, що відношення амплітуд поля в напрямках нормалей «назад»-«вперед» до екрана V суттєво залежить від відношення його сторін W/L у випадку диполя або вібратора, орієнтованого паралельно більшій стороні екрана. При відстані між напівхвильовим вібратором і екраном h=0,05...0,25 відношення амплітуд досягає V = - 70 дБ при ширині екрана L=1,5 і W/L=1,7. Розраховані залежності (W/L)_опт від L/ доведено до номограм.

4. Уперше розв'язано задачу синтезу поля із круговою поляризацією в максимумі ДС напівхвильового вібратора з прямокутним екраном в головних площинах спостереження та визначено необхідні кут нахилу напівхвильового вібратора і координати його розташування над екраном.

5. З чисельного аналізу полів у хвильовій зоні напівхвильового вібратора з П- , Г- або V- подібним екраном кінцевих розмірів уперше виявлено, що:

- Використання П-подібного екрана дозволяє одночасно збільшити КСД вібратора від 1,64 до 18, забезпечити мінімум відношення амплітуд поля в напрямках нормалей «назад»-«вперед» до екрана, рівний -70 дБ, при опорі випромінювання 80 Ом, а також в істотних межах змінювати форму ДС.

- Амплітуда випромінювання у хвильовій зоні кожного із трьох ортогональних вібраторів, розташованих усередині Г-подібного екрана, являє собою осцилюючу функцію відстані між вібратором і граннями екрана. Вибором відповідного положення вібратора усередині екрана з кінцевими розмірами граней можна збільшити КСД на 31% і опір випромінювання на 44% у порівнянні з їх теоретичними значеннями у випадку нескінченних розмірів граней екрана.

- Максимальні значення опору випромінювання і КСД вертикального вібратора з V-подібним екраном у напрямку нормалі до розкриву екрана перевищують їх розрахункові значення у випадку нескінченних розмірів граней екрана на 50...70% при оптимальному виборі розмірів екрана.

6. Уперше визначено вхідний опір і резонансну довжину довільно орієнтованого вібратора із прямокутним екраном з урахуванням дифрагованих полів. Показано, що резонансна довжина вібратора зменшується в порівнянні з резонансною довжиною вібратора у вільному просторі, причому більше у випадку орієнтації вібратора паралельно екрану і менше - перпендикулярно йому, й тим сильніше, чим менше розміри екрана. Зокрема, зсув резонансної частоти вібратора, паралельного більшим сторонам екрана з розмірами 0,47Ч0,63, при відстані вібратора до екрана h=0,25 склав 11%. При цьому відмінність розрахованої резонансної частоти експериментального вібратора й обмірюваної по мінімуму КСХН частоти склала 1,2.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Монографія:

1. Елисеева Н.П. Дифракция излучения проволочной антенны на прямоугольных и уголковых экранах: монография / Н.П. Елисеева, Н.Н. Горобец. -- Харьков : ХНУ имени В.Н. Каразина, 2009. -- 380 с.

Статті у фахових виданнях і журналах:

2. Гоpобец H.H. О коэффициенте дифpакции пpоизвольно поляpизованной электpомагнитной волны на кpае полуплоcкоcти / H.H. Гоpобец, H.П. Елиcеева // Веcтн. Хаpьк. ун-та. -- 1991. -- № 355 : Радиофизика и электроника. - C. 54-59.

3. Гоpобец H.H. Характеристики излучения электрического диполя, расположенного параллельно ограниченному экрану / Н.Н. Горобец, Н.П. Елисеева // Радиотехника (Москва). -- 1992. -- № 7-8. -- C. 66--68.

[Telecommun. Radio Eng. 2. Radio Eng. (USA) --1993. -- Vol. 47, № 7. - P. 118-120].

4. Гоpобец H.H. Направленные и поляризационные характеристики излучения уголковых антенн конечных размеров с произвольным углом раствора уголка /H.H. Гоpобец, H.П. Елиcеева // Радиотехника и электроника. -- 1993. -- T. 38, № 1. -- C. 59--69. [Journal of Communication Technology and Electronics. --1993. -- Vol. 38, № 6. -- P. 99--108].

5. Елисеева Н.П. Сопротивление излучения произвольно ориентированного электрического диполя над плоским экраном / Н.П. Елисеева // Радиофизика и радиоастрономия. -- 1998. -- T. 3, № 1. -- C. 105--110. [Telecommunications and Radio Engineering. -- 1997. -- Vol. 51, № 2--3. -- P. 195--201.]

6. Елисеева Н.П. Анализ диаграмм направленности произвольно ориентированного электрического вибратора над плоским экраном / Н.П. Елисеева // Радиофизика и радиоастрономия. -- 1998. -- T. 3, № 2. -- C. 217--225. [Telecommunications and Radio Engineering. -- 1999. --Vol. 53, № 1. -- P. 43--53.]

7. Горобец Н.Н. Кросс-поляризованное излучение электрического диполя, параллельного плоскому экрану / H.H. Гоpобец, H.П. Елиcеева // Радиофизика и радиоастрономия. -- 1998. -- T. 3, № 3. -- C. 333--340.[Telecommunications and Radio Engineering. -- 1999. -- Vol. 53, № 1. -- P. 33--42.]

8. Горобец Н.Н. Уменьшение уровня излучения вибраторных антенн с экраном в заданном направлении / H.H. Гоpобец, H.П. Елиcеева // Радиофизика и радиоастрономия. -- 1999. -- Т. 4, № 1. -- С. 35--41.

9. Горобец Н.Н. Коэффициент защитного действия электрического диполя с плоским и уголковым рефлектором / H.H. Гоpобец, H.П. Елиcеева // Сб. Антенны. -- М., 1999. -- Bып. 2 (43). -- С. 57--61.

10. Елисеева Н.П. Коэффициент направленного действия электрического вибратора, расположенного над прямоугольным экраном под произвольным углом / Н.П. Елисеева // Электромагнитные волны и электронные системы. --2000. -- T. 5, № 2. -- C. 35--41.

11. Елисеева Н.П. Оптимизация коэффициента направленного действия кругополяризованной уголковой антенны конечных размеров / Н.П. Елисеева // Радиотехника и электроника. -- 2001. -- T. 46, № 8. -- C. 966--975.[Journal of Communications Technology and Electronics. -- 2001. -- Vol. 46, № 8. - P. 891--900.]

12. Елисеева Н.П. Коэффициент направленного действия и сопротивление излучения уголковой антенны конечных размеров, возбуждаемой вертикальным и горизонтальным электрическим диполем / Н.П. Елисеева // Изв. вузов. Радиоэлектроника. -- 2002. -- Т. 45, № 5. -- С. 65--75. [Radioelectronics and Communications Systems. -- 2002. -- Vol. 45, № 5. -- P. 49--53.

13. Горобец Н.Н. Излучение диполя с различной ориентацией относительно края полуплоскости / H.H. Гоpобец, H.П. Елиcеева // Радиофизика и радиоастрономия. -- 2002. -- Т. 7, № 3. -- С. 35--41.

14. Горобец Н.Н. Характеристики излучения электрического диполя с различной ориентацией при изменении положения плоского экрана / H.H. Гоpобец, H.П. Елиcеева // Сб. Радиофизика и электроника. -- Х., 2002. -- Т. 7, № 3. -- С. 446--456. [N.N. Gorobetz., N.P. Yeliseyeva // Telecommunications and Radio Engineering. -- 2003. -- Vol. 60, № 3--4. -- P. 30--47].

15. Горобец Н.Н. Направленные и поляризационные характеристики излучения вибраторной турникетной антенны с экраном / H.H. Гоpобец, H.П. Елиcеева // Вісн. Харків. ун-ту. -- 2004. -- № 646: Радіофізика та електроніка. -- С. 120--123.

16. Елисеева Н.П. Входной импеданс произвольно ориентированного электрического диполя, расположенного над прямоугольным экраном. 1. методика расчета / H.П. Елиcеева // Изв. вузов. Радиоэлектроника. -- 2005. -- Т. 48, № 11. -- С. 6--18. [Radioelectronics and Communications Systems. -- 2005. -- Vol. 48, № 11. -- P. 4--13.]

17. Елисеева Н.П. Входной импеданс произвольно ориентированного электрического диполя, расположенного над прямоугольным экраном. 2. Результаты расчетов / H.П. Елиcеева // Изв. вузов. Радиоэлектроника. -- 2005. -- Т. 48, № 12. -- С. 3--7. [Radioelectronics and Communications Systems. -- 2005. -- Vol. 48, № 12. -- P. 1--4].

18. Горобец Н.Н. Поляризационные эффекты при дифракции излучения произвольно ориентированного электрического диполя на крае идеально проводящей полуплоскости / H.H. Гоpобец, H.П. Елиcеева // Радиотехника и электроника. -- 2006. -- Т. 51, № 2. -- С. 157--167. [Communication Technology and Electronics. -- 2006. -- Vol. 51, №2. -- P. 147--157.

19. Елисеева Н.П. Cопротивление излучения произвольно ориентированного электрического диполя, возбуждающего уголковую антенну или плоский экран / H.П. Елиcеева // Радиотехника и электроника. -- 2006. -- Т. 51, № 4 -- С. 404--408. [ Journal of Communication Technology and Electronics. -- 2006. -- Vol. 51, № 4. --P. 380--384].

20. Горобец Н.Н. Анализ электродинамических характеристик вертикального вибратора, расположенного на металлической плоскости с выступом, во всем пространстве наблюдения / H.H. Гоpобец, H.П. Елиcеева // Радиофизика и радиоастрономия. -- 2006. -- Т. 11, № 1. -- С. 63-72.

21. Горобец Н.Н. Синтез кругополяризованного излучения электрического диполя, расположенного над прямоугольным экраном / H.H. Гоpобец, H.П. Елиcеева // Радиотехника и электроника. -- 2008. -- Т. 53, № 1. -- С. 31--39. [Journal of Communications Technology and Electronics. -- 2008. -- Vol. 53,№ 1. -- P. 26-33].

22. Елисеева Н.П. Входной импеданс электрического диполя, ориентированного произвольным образом в уголковом отражателе / H.П. Елиcеева // Радиотехника и электроника. -- 2008. -- Т. 53, № 2. --С. 184--190. [Journal of Communications Technology and Electronics. -- 2008. -- Vol. 53, № 2. - P. 170--176.]

23. Елисеева Н.П. Дифракция излучения электрического вибратора, произвольно расположенного внутри уголкового отражателя / H.П. Елиcеева // Радиотехника и электроника. -- 2008. -- Т. 53, № 7. -- С. 731--746.[Journal of Communications Technology and Electronics. -- 2008. -- Vol. 53, № 7. -- P. 773-788].

24. Елисеева Н.П. Излучение электрического диполя, расположенного внутри П-образного отражателя конечных размеров / H.П. Елиcеева, H.H. Гоpобец // Изв. вузов. Радиоэлектроника. -- 2008. -- T. 51, № 12. -- С. 3--19. [Radioelectronics and Communications Systems. -- 2008. -- Vol. 51, № 12. -- P. 631--641].

25. Горобец Н.Н. Влияние металлического экрана на резонансную длину проволочной антенны / H.H. Гоpобец, H.П. Елиcеева // Радиофизика и радиоастрономия. -- 2009. -- Т. 14, № 1. -- С. 92--103.

26. Горобец Н.Н. Оптимизация характеристик излучения проволочных антенн с экранами / Н.Н. Горобец, Н.П. Елисеева, Е.А. Антоненко // Радиотехника: всеукр. межвед. науч.-техн. сб. -- 2009. -- Вып. 157. -- С. 91--97.

Основні тези в матеріалах наукових конференцій:

27. Gorobets N.N. Decreasing Levels of Lateral and Back Radiations of Vibrator and Microstrip Antennas / N.N. Gorobets, N.P. Yeliseyeva // 12-th Intеrnational Wroclaw Symp. on Electromagnetic Compatibility, 27--30 June 1994 : proceedings. -- Wroclaw (Poland), 1994. -- P. 30--34.

28. Gorobets N.N. GTD Analysis of Microstrip Antennas and Vibrator with Plane Screen / N.N. Gorobets, N.P. Yeliseyeva // V-th International Сonf. on Mathem. Methods in Electromagnetic Theory , 7--10 Sept. 1994 : proceedings. -- Kharkov , 1994. -- P. 119--122.

29. Gorobets N.N. Optimizing Radiation of Microstrip and Vibrator Antennas by Means of Choosing Form of the Screen / N.N. Gorobets, N.P. Yeliseyeva // Ninth International Conf. on Antennas and Propagation, 4--7 April 1995 : proceedings. - Eindhoven (The Netherlands), 1995. -- Vol. 1. -- P. 295--298.

30. Gorobets N.N. A Study of Optimization of Directional Characteristics of Vibrator Antenna with Plane Metallic Screen / N.N. Gorobets, N.P. Yeliseyeva // 14-th International Conf. on Applied Electromagnetics and Communications, 15--17 Oct. 1997: proceedings. -- Dubrovnik (Croatia ), 1997. -- P. 38--41.

31. Gorobets N.N. Reducing Level of Side Radiation of Vibrator and Microstrip Antennas in Definite Direction / N.N. Gorobets, N.P. Yeliseyeva // 18-th Intеrnational Wroclaw Symp. on Electromagnetic Compatibility, 27--30 June 2000 : proceedings. -- Wroclaw (Poland), 2000. -- P. 630--632.

32. Елисеева Н. П. Поляризационные характеристики электрического диполя, расположенного над плоским экраном / Н. П. Елисеева // 11-ая Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 10--14 сентября 2001 г.: материалы. -- Севастополь, 2001. -- C. 396--398.

33. Yeliseyeva N.P. Radiation Characteristics of Finite-Size Circularly Polarized Corner Antenna / N.P. Yeliseyeva //11-th Int. Conf. on Antennas and Propagation, 17--20 April 2001 : proceedings. -- Manchester (UK), 2001. -- Vol. 1. -- P. 295--298.

34. Gorobets N.N. Total Analysis of Radiation Characteristics of Electric Dipole with Rectangular Screen / N.N. Gorobets, N.P. Yeliseyeva // IV-th International Conf. on Antenna Theory and Techniques, 9--12 Sept. 2003 : proceedings. -- Sevastopol, 2003. -- Vol. 2. -- P. 459--464 (Invited presentation).

35. Горобец Н.Н. Оптимизация излучения электрического диполя с различной ориентацией при изменении положения плоского экрана / H.H. Гоpобец, H.П. Елиcеева // 5-й Междунар. симп. по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, 16--19 сентября 2003 г. : материалы. -- Санкт-Петербург, 2003. -- С. 190--194.

36. Gorobets N.N. Optimization of Circularly Polarized Radiation of a Tilted Electric Dipole with Rectangular Screen / N.N. Gorobets, N.P. Yeliseyeva // IV-th International Symp. on Electromagnetics, 12--16 July 2004: аbstracts. -- Magdeburg (Germany), 2004. -- P. 50--51.

37. Yeliseyeva N.P. Radiation Сharacteristics of a Wire Antenna with Finite Size Plane and Corner Screens / N.P. Yeliseyeva, N.N. Gorobets // 7-th Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques, 6--9 Okt. 2009: proceedings. - Lviv, 2009. -P. 31--36 .

АНОТАЦІЇ

Єлісєєва Н. П. Дифракція випромінювання електричного диполя на екранах складної форми. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. - Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Харків, 2010.

Розвинено асимптотичну теорію дифракції полів довільно орієнтованих диполя Герца й напівхвильового вібратора на ідеально провідних екранах кінцевих розмірів, що містять фрагменти клиноподібних поверхонь, при довільно близькій відстані антени від екранів. Для типових плоских прямокутних, П- або Г - подібних нескінченно тонких екранів кінцевих розмірів отримано розв'язки тривимірних векторних задач дифракції. Ці розв'язки дозволили чисельно визначити просторовий розподіл амплітуд, фаз і поляризаційних характеристик електромагнітних полів у хвильовій зоні, а також детально проаналізувати вплив дифрагованих полів на коефіцієнт спрямованої дії, опір випромінювання, вхідний опір та резонансну довжину вібратора. Встановлено, що відношення сторін прямокутного екрана визначним чином впливає на просторовий розподіл поля, що дозволяє ефективно перерозподіляти енергію поля в оточуючому просторі шляхом вибору оптимального відношення сторін використовуваних екранів.

Ключові слова: електромагнітне поле, дифракція, диполь, вібратор, екран, коефіцієнт спрямованої дії, опір випромінювання, вхідний опір, резонансна довжина..

Елисеева Н.П. Дифракция излучения электрического диполя на экранах сложной формы. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. - Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, Харьков, 2010.

В диссертационной работе на основе применения равномерных асимптотик дифрагированных полей, полученных из строгого решения модельной задачи дифракции поля произвольно ориентированного диполя Герца на идеально проводящей полуплоскости, а также принципов Ферма, локальности и суперпозиции электромагнитных полей развита асимптотическая теория дифракции полей произвольно ориентированных диполя Герца и полуволнового вибратора на идеально проводящих бесконечно тонких конечных экранах, включающих фрагменты клиновидных поверхностей, при произвольно близком расстоянии антенны до экрана.

Для типовых плоских прямоугольных, П- и Г- образных бесконечно тонких экранов конечных размеров получены решения трехмерных векторных задач дифракции. Эти решения позволяют детально исследовать направленные, энергетические и поляризационные характеристики электромагнитных полей таких излучающих систем (ИС) во всем пространстве волновой зоны как функции их геометрических параметров и электрических размеров .

Численно установлено и экспериментально подтверждено, что отношение длин ортогональных кромок W/L прямоугольного экрана определяющим образом влияет на пространственное распределение поля проволочного вибратора, что позволяет эффективно перераспределять энергию поля в окружающем пространстве путем выбора соответствующего отношения сторон экрана. В частности, показано, что отношение амплитуд поля в направлениях нормалей «назад»-«вперед» к экрану V существенно зависит от отношения сторон W/L в случае полуволнового вибратора, ориентированного параллельно большей стороне экрана. При расстоянии между вибратором и экраном h=0,05…0,25 отношение амплитуд достигает V = - 70 дБ при ширине экрана L=1,5 и оптимальном отношении сторон (W/L)_опт=1,7. Рассчитанные зависимости (W/L)_опт от L/ доведены до номограмм и аппроксимированы гиперболической функцией, что упрощает конструирование вибраторных и микрополосковых антенн с минимальным уровнем излучения в направлениях нормали «назад» от экрана в заданном диапазоне частот.

В работе проведен численный анализ особенностей пространственных диаграмм направленности (ДН) поля - изменения направления главного максимума, формы главного лепестка и уровня боковых лепестков, а также влияния дифрагированных на экранах полей на коэффициент направленного действия (КНД), сопротивление излучения, входной импеданс и резонансную длину вибратора в зависимости от размеров и формы экрана при различных расстояниях и ориентации вибратора относительно него. Установлено следующее.

Максимальные значения КНД диполя Герца и полуволнового вибратора с экраном конечных размеров в направлении нормали к экрану превышают значения для тех же излучателей с бесконечным экраном на 30…50%. Максимальные значения сопротивления излучения превышают их теоретические значения в случае бесконечного экрана при ориентации оси вибратора параллельно экрану на 15%, перпендикулярно экрану - на 26%.

Использование П-образного экрана позволяет одновременно увеличить КНД вибратора от 1,64 до 18, обеспечить минимум отношения амплитуд поля в направлениях «назад»-«вперед» к экрану, равный -70 дБ, при сопротивлении излучения 80 Ом, а также в существенных пределах изменять форму ДН.

Амплитуда излучения в волновой зоне каждого из трех ортогональных вибраторов, расположенных внутри Г-образного экрана, представляет собою осциллирующую функцию расстояния между вибратором и гранями экрана. Выбором соответствующего положения вибратора внутри экрана конечных размеров можно увеличить КНД на 31% и сопротивление излучения на 44% по сравнению с расчетными значениями в случае экрана бесконечных размеров.

Максимальные значения сопротивления излучения и КНД вертикального вибратора с V-образным экраном в направлении нормали к раскрыву экрана превышают расчетные значения в случае бесконечных размеров граней экрана на 50...70% при оптимальном выборе размеров экрана.

На основе полученного решения трёхмерной векторной задачи дифракции решена задача синтеза поля с круговой поляризацией в максимуме ДН полуволнового вибратора с прямоугольным экраном в главных плоскостях наблюдения и определены необходимые угол наклона полуволнового вибратора и координаты его расположения над экраном.

Решена задача об определении входного импеданса и резонансной длины произвольно ориентированного вибратора с V-образным и прямоугольным экраном с учетом дифрагированных полей. Показано, что резонансная длина вибратора по сравнению с резонансной длиной вибратора в свободном пространстве уменьшается, причём больше в случае ориентации вибратора параллельно экрану и меньше - перпендикулярно ему, и тем сильнее, чем меньше размеры экрана. В частности, смещение резонансной частоты вибратора, параллельного большим сторонам прямоугольного экрана с размерами 0,47Ч0,63, при расстоянии вибратора до экрана h=0,25 составило 11%. При этом отличие рассчитанной резонансной частоты экспериментального вибратора и измеренной по минимуму КСХН частоты составило 1,2.

Ключевые слова: электромагнитное поле, дифракция, поляризация, диполь, вибратор, экран, диаграмма направленности, коэффициент направленного действия, сопротивление излучения, входной импеданс, резонансная длина.

Yeliseyeva N.P. Diffraction of Electric Dipole Radiation on Screens with Complex Shape. - Manuscript. Thesis for doctor's degree in Physics and Mathematics by speciality 01.04.03 - radiophysics. - V. N. Karazin Kharkiv National University. - Kharkiv, 2010.

The asymptotical diffraction theory of the arbitrary oriented Hertz dipole and halfwave vibrator fields on the perfectly conducting finite screens containing fragments of wedge-shaped surfaces is evolved. For typical infinitesimally thin flat rectangular, П- and Г- shaped screens of finite dimensions the 3D vector diffraction problem solutions are obtained. These solutions allowеd to compute at arbitrary separation vibrator from the screen the spatial distributions of the amplitude, phase and polarization characteristics of electromagnetic fields in far zone. They allowеd also to analyze in detail the influence of the diffracted fields on the directive gain, radiation and input resistance, resonant length of vibrator. It is shown that the side lengths ratio of the flat rectangular screen influences in the crucial manner on the field spatial distribution.

It makes possible to redistribute effectively the energy of the electromagnetic field in surrounding space by a choice of the optimal side lengths ratio of the used screens.

Key words: electromagnetic field, diffraction, dipole, vibrator, screen, directive gain, radiation resistance, input resistance, resonant length.

Размещено на Allbest.ru